Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Quadrotor Tại Thành Phố Hồ Chí Minh

• Tác giả: KS. Phan Đình Thế Duy
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM
• Đề tài: Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Quadrotor
• Loại tài liệu: báo cáo nghiệm thu
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• SUMMARY OF RESEARCH CONTENT
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH BẢNG
• DANH SÁCH HÌNH
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. Tổng quan nghiên cứu
• 0.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
• 0.3. Ứng dụng của Quadrotor
• 0.4. Lý do chọn đề tài
• 0.5. Mục tiêu của đề tài
• 0.5.1. Mục tiêu tổng quát
• 0.5.2. Mục tiêu cụ thể
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các mô hình Quadrotor ở Việt Nam
• 1.2. Ưu nhược điểm của Quadrotor
• 1.2.1. Nhược điểm
• 1.3. Khảo sát xây dựng mô hình quadrotor (nguyên lí khí động học)
• 1.4. Thiết kế cơ học mô hình quadrotor
• 1.4.1. Bộ điều tốc điện tử ESC
• 1.4.1.1. Khảo sát các bộ điều tốc ESC
• 1.4.1.2. Bộ điều tốc ESC nghiên cứu và thử nghiệm
• 1.5. Cảm biến
• 1.5.1. Cảm biến Gyroscope ITG-3200
• 1.5.2. Cảm biến Accelerometer BMA-180
• 1.5.3. Gyroscope + Accelerometer MPU-60X0
• 1.5.4. Cảm biến Magnetometer HMC-5883L
• 1.5.5. Cảm biến Barometer BMP-085
• 1.5.6. Barometer MS5611-01BA
• 1.6. Thiết kế và hiện thực các module cảm biến quán tính
• 1.7. Thuật toán
• 1.7.1. Direction Cosine Matrix
• 1.7.2. Kalman
• 1.8. Lý thuyết điều khiển PID
• 1.9. Bộ lọc bổ sung (Complementary filter)
• 1.10. Phương pháp đo đạt giá trị mong muốn
• 1.11. Bộ lọc số
• 1.12. Phương pháp hiện thực
• 1.13. Digital Motion Processor
• 1.14. Thiết kế và hiện thực module định vị GPS
• 1.14.1. Tổng quan về GPS
• 1.14.2. Độ chính xác của máy thu GPS
• 1.14.3. Nguyên lý hoạt động của máy thu GPS
• 1.15. Thiết kế và hiện thực module RF
• 1.15.1. Bộ thu phát hình ảnh
• 1.15.2. Khảo sát và lựa chọn camera
• 1.15.3. Hệ thống GoPro Gimbal
• 1.16. Phần mềm BKIT Quadrotor
• 1.16.1. Giao diện phần mềm
• 1.16.2. Đánh giá phần mềm
• 1.17. Tích hợp các module
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Nghiên cứu, phân tích các mô hình Quadrotor
• 2.2. Các hệ thống đã được hiện thực
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM CHỨNG MINH TIÊU CHÍ KỸ THUẬT
• 4. CHƯƠNG 4: ĐÓNG GÓP ĐÀO TẠO CỦA ĐỀ TÀI
• 4.1. Chương trình Thạc Sĩ
• 4.2. Chương trình Tiến Sĩ
• 4.3. Bài báo khoa học
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• PHỤ LỤC SẢN PHẨM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Mô Hình Quadrotor Tại TP

Nghiên cứu và phát triển mô hình Quadrotor đang thu hút sự quan tâm lớn trong giới công nghệ, đặc biệt là tại TP.HCM. Các UAV (Unmanned Aerial Vehicles) như Quadrotor ngày càng chứng minh ưu thế vượt trội so với các thiết bị bay truyền thống, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng. Đề tài "Nghiên cứu xây dựng mô hình Quadrotor" hướng đến việc thiết kế và hiện thực hóa một sản phẩm UAV-VTOL (Vertical Take-Off and Landing Unmanned Aerial Vehicle) linh hoạt, ổn định, có khả năng giữ vị trí, di chuyển theo lộ trình định sẵn và tích hợp hệ thống định vị GPS. Điều này khác biệt so với máy bay trực thăng hay cánh bằng, vốn đòi hỏi sự chính xác cao về cơ khí và khí động học. Quadrotor đòi hỏi sự điều khiển phức tạp dựa trên sự kết hợp chuyển động của bốn cánh quạt. Theo Báo cáo Nghiệm thu của UBND TP.HCM, Sở Khoa học và Công nghệ, đề tài này có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển công nghệ UAV tại Việt Nam.

1.1. Lịch sử phát triển Quadrotor và ứng dụng thực tiễn

Lịch sử phát triển Quadrotor gắn liền với sự tiến bộ của hệ thống nhúng, bao gồm vi điều khiển, vi xử lý và các loại cảm biến. Từ ứng dụng quân sự đến dân sự, Quadrotor đã chứng minh khả năng vượt trội trong do thám, quan sát và các nhiệm vụ nguy hiểm. Cảnh sát Anh sử dụng UAV để theo dõi an ninh, các nhà khoa học khám phá địa hình hiểm trở, và nhiếp ảnh gia chuyên nghiệp ghi lại những khoảnh khắc độc đáo. Quadrotor có tiềm năng to lớn trong nông nghiệp, xây dựng và logistics. Các đề tài nghiên cứu và chế tạo Quadrotor ở các nước tiên tiến là cơ sở để phát triển các sản phẩm thương mại, phục vụ nhu cầu giải trí, nghiên cứu khoa học hoặc cả trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng. TP.HCM cũng không nằm ngoài xu hướng này với nhiều dự án nghiên cứu về Quadrotor.

1.2. So sánh Quadrotor với các loại máy bay không người lái khác

Quadrotor nổi bật nhờ khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng (VTOL), di chuyển linh hoạt trong không gian hẹp và giữ vị trí ổn định. So với máy bay cánh cố định, Quadrotor không cần đường băng và dễ dàng điều khiển trong môi trường đô thị. So với trực thăng, Quadrotor có cấu tạo đơn giản hơn, chi phí sản xuất và bảo trì thấp hơn. Tuy nhiên, Quadrotor có thời gian bay ngắn hơn và tải trọng thấp hơn so với các loại máy bay khác. Sự phát triển của cảm biến cho Quadrotor, pin cho Quadrotor, motor cho Quadrotor và Flight Controller Quadrotor đang giúp khắc phục những hạn chế này. Các thuật toán điều khiển Quadrotor ngày càng phức tạp giúp tăng cường tính ổn định và khả năng tự động của Quadrotor.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Thiết Kế Quadrotor Tại TP

Nghiên cứu và phát triển mô hình bay Quadrotor tại TP.HCM đối mặt với nhiều thách thức. Thứ nhất, nguồn lực tài chính và nhân lực cho nghiên cứu còn hạn chế. Thứ hai, việc tiếp cận công nghệ và linh kiện tiên tiến gặp nhiều khó khăn. Thứ ba, môi trường pháp lý cho hoạt động UAV chưa hoàn thiện. Cuối cùng, sự cạnh tranh từ các sản phẩm nhập khẩu giá rẻ gây áp lực lớn lên các nhà nghiên cứu và sản xuất trong nước. Để vượt qua những thách thức này, cần có sự đầu tư mạnh mẽ từ nhà nước và doanh nghiệp, sự hợp tác chặt chẽ giữa các trường đại học và viện nghiên cứu, và một khung pháp lý rõ ràng tạo điều kiện cho sự phát triển của ngành công nghiệp Quadrotor tại Việt Nam. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nghiên cứu UAV TP.HCM ngày càng được đẩy mạnh.

2.1. Tìm kiếm linh kiện Quadrotor giá rẻ và chất lượng ở đâu

Hiện nay, có một số cửa hàng linh kiện điện tử và robot tại TP.HCM cung cấp các linh kiện dành cho Quadrotor như motor cho Quadrotor, pin cho Quadrotor, cảm biến cho Quadrotor, Flight Controller Quadrotor. Bên cạnh đó, các trang thương mại điện tử như Shopee, Lazada cũng có bán nhiều loại linh kiện này. Tuy nhiên, cần kiểm tra kỹ thông tin và đánh giá của người bán trước khi mua để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

2.2. Vấn đề pháp lý liên quan đến sử dụng Quadrotor ở TP.HCM

Việc sử dụng Quadrotor tại TP.HCM phải tuân thủ các quy định của pháp luật về quản lý và sử dụng tàu bay không người lái. Các quy định này bao gồm việc đăng ký UAV, xin phép bay, tuân thủ các quy tắc an toàn bay và bảo mật thông tin. Vi phạm các quy định này có thể bị xử phạt hành chính hoặc truy cứu trách nhiệm hình sự. Cần nắm rõ các quy định này trước khi sử dụng Quadrotor để tránh các rủi ro pháp lý. Hiện nay, các quy định về UAV đang dần được hoàn thiện để phù hợp với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu thực tế.

III. Cách Thiết Kế Mạch Điều Khiển Quadrotor Hiệu Quả Tại TP

Thiết kế mạch điều khiển là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc xây dựng một mô hình Quadrotor hoạt động ổn định. Mạch điều khiển có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các cảm biến, xử lý thông tin và điều khiển tốc độ của các động cơ để duy trì sự cân bằng và điều hướng Quadrotor. Việc lựa chọn vi điều khiển phù hợp, thiết kế mạch cảm biến, và xây dựng thuật toán điều khiển hiệu quả là những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu tại TP.HCM. Theo Báo cáo Nghiệm thu, đề tài đã thiết kế và hiện thực hóa một mạch điều khiển tích hợp nhiều loại cảm biến như gia tốc, con quay hồi chuyển, la bàn số và áp suất.

3.1. Lựa chọn vi điều khiển và cảm biến phù hợp cho Quadrotor

Việc lựa chọn vi điều khiển phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về hiệu năng, kích thước và chi phí của Quadrotor. Các vi điều khiển phổ biến được sử dụng trong Quadrotor bao gồm STM32, Arduino và ESP32. Các cảm biến quan trọng cần có bao gồm gia tốc kế (accelerometer), con quay hồi chuyển (gyroscope), la bàn số (magnetometer) và cảm biến áp suất (barometer). Các cảm biến này cung cấp thông tin về gia tốc, vận tốc góc, hướng và độ cao của Quadrotor. Việc tích hợp các cảm biến này vào mạch điều khiển cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống. Các cảm biến cho Quadrotor ngày càng nhỏ gọn và chính xác, giúp nâng cao hiệu năng của UAV.

3.2. Phát triển thuật toán điều khiển PID cho Quadrotor

Điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một thuật toán điều khiển phổ biến được sử dụng trong Quadrotor. Thuật toán này điều chỉnh tốc độ của các động cơ dựa trên sai số giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế của các thông số như góc nghiêng và độ cao. Việc điều chỉnh các tham số PID phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo Quadrotor bay ổn định và phản ứng nhanh chóng với các lệnh điều khiển. Các phương pháp điều khiển nâng cao như điều khiển mờ (fuzzy logic) và điều khiển thích nghi (adaptive control) cũng đang được nghiên cứu và áp dụng để cải thiện hiệu năng của Quadrotor.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Quadrotor Trong Nông Nghiệp Tại TP

Quadrotor đang mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp tại TP.HCM. Khả năng bay linh hoạt, thu thập dữ liệu từ xa và thực hiện các nhiệm vụ tự động giúp cải thiện hiệu quả và năng suất của hoạt động sản xuất nông nghiệp. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm giám sát và đánh giá tình trạng cây trồng, phun thuốc trừ sâu và phân bón, và lập bản đồ địa hình và độ ẩm của đất. Việc sử dụng Quadrotor trong nông nghiệp giúp giảm thiểu chi phí lao động, tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ môi trường.

4.1. Giám sát và đánh giá tình trạng cây trồng bằng Quadrotor

Các Quadrotor cho mục đích khảo sát thường được trang bị GPS Quadrotor để định vị chính xác vị trí của cây trồng và lập bản đồ tình trạng cây trồng. Dữ liệu thu thập được có thể được tích hợp vào hệ thống thông tin địa lý (GIS) để quản lý và phân tích.

4.2. Phun thuốc trừ sâu và phân bón tự động bằng Quadrotor

Quadrotor được trang bị hệ thống phun thuốc có thể phun thuốc trừ sâu và phân bón một cách chính xác và hiệu quả. Việc phun thuốc bằng Quadrotor giúp giảm thiểu lượng thuốc sử dụng, hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Quadrotor có thể tiếp cận các khu vực khó khăn, địa hình phức tạp và phun thuốc đều khắp diện tích canh tác. Ứng dụng này đặc biệt hữu ích cho các trang trại lớn và các vùng trồng trọt có địa hình đồi núi.

V. Đào Tạo Phát Triển Nguồn Nhân Lực Quadrotor Ở TP

Để đáp ứng nhu cầu phát triển của ngành công nghiệp Quadrotor tại TP.HCM, cần chú trọng đến công tác đào tạo Quadrotor và phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao. Các trường đại học và cao đẳng cần xây dựng các chương trình đào tạo chuyên sâu về thiết kế, chế tạo, điều khiển và ứng dụng Quadrotor. Cần tăng cường hợp tác giữa nhà trường và doanh nghiệp để sinh viên có cơ hội thực tập và làm việc trong môi trường thực tế. Đồng thời, cần khuyến khích các hoạt động nghiên cứu khoa học và sáng tạo trong lĩnh vực Quadrotor để tạo ra những sản phẩm và giải pháp tiên tiến.

5.1. Chương trình đào tạo kỹ sư Quadrotor tại các trường đại học

Các trường đại học như Đại học Bách Khoa TP.HCM cần xây dựng các chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành UAV, trong đó có Quadrotor. Chương trình đào tạo cần trang bị cho sinh viên kiến thức nền tảng về điện tử, cơ khí, điều khiển và lập trình, cũng như các kỹ năng chuyên sâu về thiết kế, chế tạo, điều khiển và ứng dụng Quadrotor. Chương trình đào tạo cần kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, tạo điều kiện cho sinh viên tham gia các dự án nghiên cứu và phát triển Quadrotor.

5.2. Các khóa học ngắn hạn về sửa chữa và lập trình Quadrotor

Ngoài các chương trình đào tạo chính quy, cần có các khóa học lập trình Quadrotor và sửa chữa Quadrotor ngắn hạn để đáp ứng nhu cầu của thị trường lao động. Các khóa học này cần trang bị cho học viên kiến thức và kỹ năng cơ bản về cấu tạo Quadrotor, nguyên lý hoạt động, sử dụng phần mềm điều khiển và khắc phục các sự cố thường gặp. Các khóa học này có thể được tổ chức bởi các trung tâm đào tạo nghề, các câu lạc bộ Quadrotor và các chuyên gia trong ngành.

VI. Tương Lai Nghiên Cứu Phát Triển Quadrotor Tại TP

Tương lai của nghiên cứu và phát triển Quadrotor tại TP.HCM hứa hẹn nhiều tiềm năng. Với sự phát triển của công nghệ, Quadrotor sẽ ngày càng thông minh, linh hoạt và đa năng hơn. Các ứng dụng của Quadrotor sẽ ngày càng mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác nhau, từ logistics đến xây dựng, từ giám sát an ninh đến khảo sát môi trường. Để hiện thực hóa những tiềm năng này, cần có sự đầu tư mạnh mẽ từ nhà nước và doanh nghiệp, sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất, và một môi trường pháp lý thuận lợi cho sự phát triển của ngành công nghiệp Quadrotor.

6.1. Xu hướng phát triển Quadrotor tự hành và thông minh

Một trong những xu hướng quan trọng nhất trong phát triển Quadrotor là tăng cường khả năng tự hành và thông minh. Quadrotor sẽ được trang bị các hệ thống cảm biến tiên tiến, các thuật toán xử lý ảnh và trí tuệ nhân tạo (AI) để có thể tự động điều hướng, tránh chướng ngại vật và thực hiện các nhiệm vụ phức tạp mà không cần sự can thiệp của con người. Quadrotor tự hành sẽ mở ra nhiều ứng dụng mới trong logistics, giám sát và cứu hộ.

6.2. Ứng dụng Quadrotor trong xây dựng đô thị thông minh tại TP.HCM

Quadrotor có thể đóng vai trò quan trọng trong xây dựng đô thị thông minh tại TP.HCM. Quadrotor có thể được sử dụng để giám sát giao thông, kiểm tra cơ sở hạ tầng, thu thập dữ liệu môi trường và cung cấp dịch vụ logistics cho người dân. Việc tích hợp Quadrotor vào hệ thống quản lý đô thị sẽ giúp cải thiện hiệu quả hoạt động, nâng cao chất lượng cuộc sống và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.